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研究生:邱博宏
研究生(外文):Po-Hung Chiu
論文名稱:使用晶片內變壓器結構的低雜訊放大器與混頻器之設計
論文名稱(外文):Design of LNA and Mixer Using On-chip Transformer Structure
指導教授:王瑞祿
指導教授(外文):Ruey-Lue Wang
學位類別:碩士
校院名稱:國立高雄師範大學
系所名稱:電子工程學系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2015
畢業學年度:103
語文別:中文
論文頁數:111
中文關鍵詞:變壓器混頻器低雜訊放大器
外文關鍵詞:TransformerMixerLNA
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本論文中提出數個使用變壓器(transformer)設計的電路,可應用在WiMAX以及WiFi頻段。電路共可以分為兩部分,第一個部分為將變壓器應用於混頻器,以將單端信號轉換成差動信號。兩個電路分別為以中間抽頭變壓器轉換單端RF輸入之寬頻混頻器及以中間抽頭變壓器轉換單端RF與LO輸入之混頻器,第二個部分為將變壓器應用於雙頻帶低雜訊放大器中,以切換操作頻帶。我們先介紹未使用變壓器的以離散式電感實現之雙頻帶低雜訊放大器,再介紹使用中間抽頭自耦變壓器的以同圓心切換式電感實現之雙頻帶低雜訊放大器,最後再將兩個架構相同但沒有使用變壓器的低雜訊放大器和有使用變壓器的低雜訊放大器做比較。
在以中間抽頭變壓器轉換單端RF輸入之寬頻混頻器中, RF輸入端使用中間抽頭式變壓器,搭配電容和電感做輸入匹配,形成寬頻的輸入匹配,並產生電路所需之差動信號進入電路。本晶片改善了實驗室之前所設計相同架構電路的輸入匹配,並增加了轉換增益。電路的頻率操作在2.3 GH。轉換增益的量測值為10.05 dB。電路的功率損耗為2.88mW。
在以中間抽頭變壓器轉換單端RF與LO輸入之混頻器中,RF輸入端使用中間抽頭式變壓器,搭配電容做輸入匹配,形成良好的輸入匹配,並產生電路所需之差動信號進入電路。LO輸入端一樣使用中間抽頭式變壓器產生電路所需之差動信號進入電路。電路的頻率操作在2.3 GH。轉換增益的量測值為 10.81 dB。電路的功率損耗為3.52mW。
在以離散式電感實現之雙頻帶低雜訊放大器中,設計上使用PMOS當作開關切換電感的感值,目的在於使低雜訊放大器的工作頻率能夠在兩個模式中切換,此晶片的操作頻率設計在2.4GHz與5.8GHz兩個模式。增益的量測值操作在2.4GHz與5.8GHz時,分別為10.97dB與7.85dB。電路操作在2.4GHz與5.8GHz時,電路的功率損耗為分別為11.39mW與11.46mW。
在以切換式電感實現之雙頻帶低雜訊放大器中,改良自前一晶片以離散式電感實現之雙頻帶低雜訊放大器,將其中的兩顆離散式電感重新設計成自耦變壓器的型式,然後將操作頻率設計在2.4GHz與5.8GHz兩個模式。增益的量測值操作在2.4GHz與5.8GHz時,分別為14.03dB與8.23dB。電路操作在2.4GHz與5.8GHz時,電路的功率損耗分別為10.59Mw與10.56mW。
本篇論文之電路設計是使Advanced Design System(ADS)來模擬與分析電路特性,並使用台積電所提供的TSMC 0.18μm CMOS元件模型與相關的製程資料來設計電路,透過CIC申請下線,完成晶片之製作。

In this thesis, several radio-frequency (RF) circuits with transformers for the applications in Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX) and Wi-Fi are presented. Designed circuits are divided into two parts. The first part includes two mixers circuits using transformers to transform a single-ended signal into two differential signals. One mixer uses a transformer to transform a single-ended RF input into two differential signals and has a wide operation frequency bandwidth. The other mixer uses two transformers to transform a single-ended RF input and a single-end LO input into two differential signals, respectively. In the second part, a transformer is used to switch operation frequency band of dual-band low-noise amplifier (LNA). At first, one circuit using two discrete inductors to implement a dual-band LNA is presented. Then, the other circuit using two concentric switching inductors to implement a dual-band LNA is presented. The structure of the concentric switching inductors is a center-tapped self-coupling transformer. Finally, circuit performances of the two low-noise amplifiers are listed and compared.
In the mixer I, a mixer uses a transformer to transfer a single-end RF input signal into two differential signals and operates over a wide frequency bandwidth. The transformer together with extra inductors and capacitors implements a broad-bandwidth impedance matching at the input port and generate two differential input signals into the mixer. In the circuit, the input impedance matching is improved and the conversion gain is enhanced as compared to the chip presented previously by our laboratory. The circuit operates at the frequency band around 2.3 GHz. The conversion gain is 10.05 dB. The power consumption is 2.88 mW.
In the mixer II, a mixer uses two center-tapped transformers to transfer a single-end RF input into two differential signals and a single-end LO input into two differential signals, respectively. One transformer together with extra inductors and capacitors implements a broad-bandwidth impedance matching at the RF input port and generate two differential input signals into the mixer. At the LO port, the other transformer is also used to generate two differential LO signals into the mixer. The circuit operates at the frequency band around 2.3 GHz. The conversion gain is 10.81 dB. The power consumption is 3.52 mW.
In the LNA I, a dual-band LNA using two discrete inductors to implement a switching-inductor structure is presented. A p-type MOSFET in parallel with one inductor in the switching-inductor structure is used to switch the equivalent inductance of switching-inductor structure and hence the LNA can operate at one of two operation frequency bands. The circuit operates at the frequency band around 2.4 GHz or 5.8 GHz. The gains are 10.97 dB and 7.85 dB, respectively. The power consumption is 11.39 mW and 11.46 mW.
In the LNA II, a dual-band LNA using a concentric tapped self-coupling transformer, which is used to replace the two discrete inductors in the LNA I, is presented. The circuit operates at the frequency band around 2.4 GHz or 5.8 GHz. The gains are 14.03 dB and 8.23 dB, respectively. The power consumption is 10.59 mW and 10.56 mW, respectively.
In this thesis, the Advance Design System(ADS) is used to simulate and analyze the circuit performance. The circuit is based on the TSMC 0.18 μm CMOS process and the related device models. The chips is taped out and fabricated by applying to CIC.

目 錄
第一章 序論 1
1.1 研究動機 1
1.2 無線收發機架構 2
1.3 論文內容提要 3
第二章 變壓器之設計 4
2.1 設計流程 4
2.2 變壓器常見之參數[2][3][4] 5
2.3 變壓器之型式 8
(A)中間抽頭式 8
(B)共圓心多抽頭式 11
第三章 射頻低雜訊放大器與混頻器之理論 13
3.1 S參數[5] 13
3.2 轉換增益[6] 15
3.3 雜訊分析[7] 15
3.3.1 電阻的熱雜訊 15
3.3.2 電晶體的熱雜訊 16
3.3.3 電晶體的閃爍雜訊 17
3.3.4 雜訊指數(Noise Figure)[7] 18
3.4 非線性特性[9] 19
3.4.1 直流偏移與諧波失真 19
3.4.2 1dB增益壓縮 22
3.4.3 交互調變失真 23
3.5 穩定度 24
3.6 隔離度[10] 25
第四章 變壓器應用於Mixer 27
4.1 混頻器的操作原理[11] [12] 27
4.2 以中間抽頭變壓器轉換單端RF輸入之寬頻混頻器 30
4.2.1 電路架構[13] [14] [15] 30
4.2.2 變壓器之設計[16] 31
4.2.3 RF端匹配網路 36
4.2.4 佈局圖與晶片照相 36
4.2.5 量測之架設 38
4.2.6 模擬與量測之結果 40
4.2.7 規格列表 44
4.2.8 討論 45
4.3 以中間抽頭變壓器轉換單端RF與LO輸入之混頻器 46
4.3.1 電路架構 46
4.3.2 變壓器之設計 47
(A)RF端之變壓器 48
(B)LO端之變壓器 51
4.3.3 RF端輸入匹配網路 54
4.3.4 LO端輸入網路 55
4.3.5 佈局圖與晶片照相 56
4.3.6 量測之架設 57
4.3.7 模擬與量測之結果 59
4.3.8 規格列表 63
4.3.9 討論 64
4.4 Mixer比較表格&討論 65
第五章 變壓器應用於LNA 67
5.1 以離散式電感實現之雙頻帶低雜訊放大器 67
5.1.1 電路架構[18] 67
5.1.2 架構說明 68
5.1.3 直流偏壓 68
5.1.4 輸入匹配 68
5.1.5 輸出匹配 69
5.1.6 增益頻段設計考量 70
(A)工作模式於2.4G 70
(B)工作模式於5.8G 72
5.1.7 佈局圖與晶片照相 73
5.1.8 量測之架設 74
5.1.9 模擬與量測之結果 76
5.1.10 規格列表 83
5.1.11 討論 83
5.2 以切換式電感實現之雙頻帶低雜訊放大器 85
5.2.1 電路架構 85
5.2.2 架構說明 85
5.2.3 直流偏壓 86
5.2.4 變壓器之設計[19] [20] 86
5.2.5 輸入匹配 90
5.2.6 輸出匹配 90
5.2.7 增益頻段設計考量 91
(A)工作模式於2.4G 91
(B)工作模式於5.8G 92
5.2.8 佈局圖與晶片照相 93
5.2.9 量測之架設 94
5.2.10 模擬與量測之結果 96
5.2.11 規格列表 103
5.2.12 討論 103
5.3 LNA比較表格&討論 105
第六章 結論 107
6.1 結論 107
參考文獻 108


表目錄
表 4.2.1 以中間抽頭變壓器轉換單端RF輸入之寬頻混頻器的模擬與量測值 44
表 4.3.2 以中間抽頭變壓器轉換單端RF與LO輸入之混頻器的模擬與量測值 63
表 4.4.1 兩顆混頻器的量測值 65
表 5.1.1以離散式電感實現之雙頻帶低雜訊放大器的模擬與量測值 83
表 5.2.1以切換式電感實現之雙頻帶低雜訊放大器的模擬與量測值 103
表 5.3.1低雜訊放大器量測比較表 105

圖目錄
圖 1.1 收發機架構[1] 2
圖 2.1.1 設計流程圖 4
圖 2.2.1 變壓器結構 5
圖 2.2.2 變壓器等效電路圖 6
圖 2.3.1 中間抽頭式變壓器的結構圖 8
圖 2.3.2 中間抽頭式變壓器的等效電路 9
圖 2.3.3 共圓心抽頭的變壓器結構 11
圖 3.1.1 二埠網路與入射波、反射波示意圖 13
圖 3.3.1 電阻熱雜訊的示意圖(a)電壓源(b)電流源[7] 15
圖 3.3.2 電晶體通道熱雜訊的示意圖[7] 16
圖 3.3.3 (a)增加兩邊的連接(b)摺疊式的佈局[7] 16
圖 3.3.4 在氧化矽表面懸掛的鍵結[7] 17
圖 3.3.5 閃爍雜訊轉角頻率的示意圖[7] 18
圖 3.3.6 多級原件間的增益與雜訊 19
圖 3.4.1 差動輸入信號的電路 21
圖 3.4.2 1dB增益壓縮點的示意圖[8] 22
圖 3.4.3 三階截止點的示意圖[9] 24
圖 3.6.1 混頻器各埠間洩漏的示意圖 26
圖 4.1.1 雙平衡式之混頻器 27
圖 4.2.1 以中間抽頭變壓器轉換單端RF輸入之寬頻混頻器之方塊示意圖 30
圖 4.2.2 混頻器之核心電路與輸出端之緩衝放大器 31
圖 4.2.3 晶片上中間抽頭的變壓器之照相圖 32
圖 4.2.4 中間抽頭的變壓器差動輸出之相位差模擬圖 32
圖 4.2.5 變壓器架構示意圖 33
圖 4.2.6 電感感值之模擬圖 34
圖 4.2.7 電感Q值之模擬圖 34
圖 4.2.8 中間抽頭變壓器差動輸出之轉換係數模擬圖 35
圖 4.2.9 中間抽頭變壓器之耦合係數kreal模擬圖 35
圖 4.2.10 RF端匹配網路 36
圖 4.2.11 以中間抽頭變壓器轉換單端RF輸入之寬頻混頻器的佈局圖 37
圖 4.2.12 以中間抽頭變壓器轉換單端RF輸入之寬頻混頻器的照相圖 37
圖 4.2.13 晶片下探針之照相圖 38
圖 4.2.14 晶片下探針之照相圖 39
圖 4.2.15 混頻器的反射係數S11 40
圖 4.2.16 混頻器的轉換增益 41
圖 4.2.17 混頻器的1dB增益壓縮 41
圖 4.2.18 混頻器的雜訊指數 42
圖 4.2.19 混頻器RF埠的隔離度 42
圖 4.2.20 混頻器LO埠的隔離度 43
圖 4.2.21 混頻器的交互調變失真量測值 43
圖 4.3.1 以中間抽頭變壓器轉換單端RF與LO輸入之混頻器之方塊示意圖 46
圖 4.3.2 混頻器之核心電路與輸出端之緩衝放大器 47
圖 4.3.3 晶片上中間抽頭的變壓器之照相圖 48
圖 4.3.4 中間抽頭的變壓器差動輸出之相位差模擬圖 49
圖 4.3.5 電感感值之模擬圖 49
圖 4.3.6 電感Q值之模擬圖 50
圖 4.3.7 中間抽頭變壓器差動輸出之轉換係數模擬圖 50
圖 4.3.8 中間抽頭變壓器之耦合係數kreal模擬圖 51
圖 4.3.9 晶片上中間抽頭的變壓器之照相圖 51
圖 4.3.10 中間抽頭的變壓器差動輸出之相位差模擬圖 52
圖 4.3.11 電感感值之模擬圖 52
圖 4.3.12 電感Q值之模擬圖 53
圖 4.3.13 中間抽頭變壓器差動輸出之轉換係數模擬圖 53
圖 4.3.14 中間抽頭變壓器之耦合係數kreal模擬圖 54
圖 4.3.15 RF端匹配網路 55
圖 4.3.16 LO端輸入網路 56
圖 4.3.17 以中間抽頭變壓器轉換單端RF與LO輸入之混頻器的佈局圖 56
圖 4.3.18 以中間抽頭變壓器轉換單端RF與LO輸入之混頻器的照相圖 57
圖 4.3.19 晶片下探針之照相圖 58
圖 4.3.20 晶片下探針之照相圖 58
圖 4.3.21 混頻器的反射係數S11 59
圖 4.3.22 混頻器的轉換增益 60
圖 4.3.23 混頻器的1dB增益壓縮 60
圖 4.3.24 混頻器的雜訊指數 61
圖 4.3.25 混頻器RF埠的隔離度 61
圖 4.3.26 混頻器LO埠的隔離度 62
圖 4.3.27 混頻器的交互調變失真量測值 62
圖 5.1.1 以離散式電感實現之雙頻帶低雜訊放大器電路圖 67
圖 5.1.2 輸入匹配電路示意圖 69
圖 5.1.3 輸出匹配電路示意圖 70
圖 5.1.4 操作於2.4G時電路工作之情況 71
圖 5.1.5 操作於2.4G時切換式電感結構之諧振點 71
圖 5.1.6 操作於5.8G時電路工作之情況 72
圖 5.1.7 操作於5.8G時切換式電感結構之諧振點 72
圖 5.1.8 以離散式電感實現之雙頻帶低雜訊放大器的佈局圖 73
圖 5.1.9 以離散式電感實現之雙頻帶低雜訊放大器的照相圖 74
圖 5.1.10 晶片下探針之照相圖 75
圖 5.1.11 晶片下探針之照相圖 75
圖 5.1.12 低雜訊放大器操作在2.4G的S11 77
圖 5.1.13 低雜訊放大器操作在2.4G的S22 77
圖 5.1.14 低雜訊放大器操作在2.4G的增益 78
圖 5.1.15 低雜訊放大器操作在2.4G的雜訊指數 78
圖 5.1.16 低雜訊放大器操作在2.4G的1dB增益壓縮 79
圖 5.1.17 低雜訊放大器操作在2.4G的交互調變失真 79
圖 5.1.18 低雜訊放大器操作在5.8G的S11 80
圖 5.1.19 低雜訊放大器操作在5.8G的S22 80
圖 5.1.20 低雜訊放大器操作在5.8G的增益 81
圖 5.1.21 低雜訊放大器操作在5.8G的雜訊指數 81
圖 5.1.22 低雜訊放大器操作在5.8G的1dB增益壓縮 82
圖 5.1.23 低雜訊放大器操作在5.8G的交互調變失真 82
圖 5.2.1 以切換式電感實現之雙頻帶低雜訊放大器之電路圖 85
圖 5.2.2 晶片上中間抽頭的變壓器之照相圖 87
圖 5.2.3 操作於2.4G時變壓器之感值 87
圖 5.2.4 操作於2.4G時變壓器之Q值 88
圖 5.2.5 操作於5.8G時變壓器之感值 88
圖 5.2.6 操作於5.8G時變壓器之Q值 89
圖 5.2.7 輸入匹配電路示意圖 90
圖 5.2.8 輸出匹配電路示意圖 91
圖 5.2.9 操作於2.4G時電路工作之情況 92
圖 5.2.10 操作於5.8G時電路工作之情況 93
圖 5.2.11 以切換式電感實現之雙頻帶低雜訊放大器的佈局圖 93
圖 5.2.12 以切換式電感實現之雙頻帶低雜訊放大器的照相圖 94
圖 5.2.13 晶片下探針之照相圖 95
圖 5.2.14 晶片下探針之照相圖 95
圖 5.2.15 低雜訊放大器操作在2.4G的S11 97
圖 5.2.16 低雜訊放大器操作在2.4G的S22 97
圖 5.2.17 低雜訊放大器操作在2.4G的增益 98
圖 5.2.18 低雜訊放大器操作在2.4G的雜訊指數 98
圖 5.2.19 低雜訊放大器操作在2.4G的1dB增益壓縮 99
圖 5.2.20 低雜訊放大器操作在2.4G的交互調變失真 99
圖 5.2.21 低雜訊放大器操作在5.8G的S11 100
圖 5.2.22 低雜訊放大器操作在5.8G的S22 100
圖 5.2.23 低雜訊放大器操作在5.8G的增益 101
圖 5.2.24 低雜訊放大器操作在5.8G的雜訊指數 101
圖 5.2.25 低雜訊放大器操作在5.8G的1dB增益壓縮 102
圖 5.2.26 低雜訊放大器操作在5.8G的交互調變失真 102



參考文獻
[1] Razavi, Behzad, “RF microelectronics”, NJ: Prentice Hall, Upper Saddle River, 1998.
[2] J. Long, “Monolithic transformers for silicon RF IC design,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 35, pp. 1368–1382, Sept. 2000.
[3] S. S. Mohan, C. P. Yue, M. d. M. Hershenson, S. S.Wong, and T. H. Lee, “Modeling and characterization of on-chip transformers,” in IEEE Int. Electron Devices Meeting, 1998, pp. 531–534.
[4] Kiat T. Ng, Behzad Rejaei, and Joachim N. Burghartz, “Substrate Effects in Monolithic RF Transformers on Silicon,” in IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., 2002, pp. 377–383.

[5] Guillermo Gonzalez, “Microwave Transistor Amplifiers Analysis and Design-2ed”, Prentice Hall, 1996.
[6] Behzad Razavi, “RF Microelectronics”, Prentice Hall Communication Engineering and Emerging technologies Series Theodore S. Rappaport, Series Editor.
[7] Behzad Razavi, “Design of Analog CMOS Integrated Circuits”, the McGraw-Hill Companies, Boston, 2001.
[8] Hooman Darabi, Asad A. Abidi, “Noise in RF-CMOS Mixers : A Simple Physical Model” IEEE Transactions on Solid State Circuit, Vol. 35, No. 1, January 2000.
[9] Da-Rong Huang “Research on System Planning and CMOS RFIC Design for 2.4/5.7-GHz Dual-Band WLAN RF Transceiver”, Institute of Computer and Communication Engineering National Cheng Kung University Thesis for Master of Science July 2006.
[10] Ferenc Marki, Christopher Marki, Ph.D. “Mixer Basics Primer A Tutorial for RF & Microwave Mixers”.
[11] Mass, Stephen A, “Microwave mixers Artech House, Boston, 1993”.
[12] B. Gilbert, “A Precise Four-Quadrant Multiplier with Sub-nanosecond Response”, IEEE J. Solid State Circuits Vol. SC3, No.4, Dec 1968.
[13] David M. Polar, “Microwave and RF wireless systems, ” New York, John Wiley, 2001.
[14] R. L. Wang, Y. K. Su, H. H. Chien, C. C. Chuang, H. F. Hsiao, C. H. Tu, Y. Z. Juang, “ A Concurrent Dual-Band Folded-Cascode Mixer Using a LC-Tank Biasing Circuit,” Microelectronics Journal vol.43, pp.1010-1015, 2012.
[15] R. L. Wang, H. H. Chien, C. C. Chuang, C. H. Liu, Y. K. Su, “A Low Power Mixer with LC Phase Shifters for a Single -end Input,” IEEE Asia Pacific Microwave Conference 2010 (IEEE APMC 2010), Dec.7-10, Yokohama, Japan.
[16] R. L. Wang, Y .K. Su, C. H. Liu, S. C. Hung, Y. S. Lin, “A concurrent dual-band mixer with on-wafer balun for multi-standard applications , ” in : Proceedings of the IEEE Asia-Pacific Conferenceon Circuits and Systems , 2008 , pp. 304 – 307.
[17]Pin-Yi Liu , “Mixer using a center-tapped transformer for differential signals ” in July 2013
[18] Chung-Chin Chuang, “Design of Multi-mode Low Noise Amplifiers for WiMAX/LTE Applications, ” in June. 2011.
[19]R.-L. Wang, S.-C. Chen, and C.-L. Huang, “Single-/ Multiband CMOS Low-Noise Amplifier Using Concentric Switching Inductors,” Microwave Opt Technol Lett 54 (2012) , 309-315
[20] R.-L. Wang, S.-C. Chen, and C.-L. Huang, “A band-switchable CMOS low noise amplifier using switching inductors, Microw Opt Technol Lett 53 (2011),462-467

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